Θέματα φυσικού στρώματος και στρώματος MAC σταθερών ασύρματων ευρυζωνικών δικτύων

Abstract

The present thesis deals with a number of issues related to the physical and MAC layers of fixed broadband wireless access (BWA) networks operating in the 10-66GHz spectral range. The recent release of the broadband wireless standards IEEE 802.16 and ETSI BRAN HIPERACCESS signified a growth period for these networks to profit from the advantages of wireless communications in metropolitan area networks (MAN). Chapter 1 of the thesis provides an introduction on the recent technological and standardization developments of broadband wireless access technologies. Next, propagation in frequency bands above 10GHz is studied by separating the influence of the atmosphere and the environment a fixed wireless network is deployed. This is supplemented by many prediction models reproduced from the literature and the ITU-R Recommendations. Emphasis is given on describing a physical statistical model for rain fading, which constitutes the dominant factor degrading the performance of the high frequency segment of fixed BWA systems. Furthermore, Chapter 3 investigates the various fade mitigation techniques (FMT) to combat channel fading. FMTs are separated into three general categories, that is, power control, adaptive modulation and coding and diversity. For the latter, two new methods are described for predicting its performance under heavy and stratiform rain, respectively. The rest of the chapters offer a radiocommunication analysis on intercell interference with respect to the multiple access scheme selected. Specifically, Chapter 4 is focused on conventional TDMA based BWA networks in the frame of the distinct cellular characteristics this type of networks exhibit. Despite that multipath is less important for the system under study, Chapter 5 introduces CDMA as an alternative access option for the 10-66GHz segment of BWA networks motivated by the improved performance in terms of intercell interference, at least for the link from the subscriber to the base station (upstream). In both cases, a statistical assessment of intercell interference is carried out by taking into account rain fading for the desired and the interfering signals. For the opposite direction of transmission (downstream), Chapter 6 proposes a combination of multirate techniques including multicode-CDMA and variable spreading factor-CDMA employed in a modified fashion to control the interference throughout the sector. The performance of the proposed code assignment scheme is tested both analytically and through a comprehensive simulation of the dynamic properties of the channel.

Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζονται διάφορα ζητήματα που άπτονται του φυσικού στρώματος και του στρώματος MAC των σταθερών ευρυζωνικών ασύρματων δικτύων πρόσβασης που λειτουργούν στο φασματικό εύρος 10-66GHz. Η πρόσφατη δημοσίευση των ευρυζωνικών ασύρματων προτύπων IEEE 802.16 και ETSI BRAN HIPERACCESS σηματοδότησε μια περίοδο ανάπτυξης των συγκεκριμένων δικτύων με εκμετάλλευση των πλεονεκτημάτων της ασύρματης επικοινωνίας σε μητροπολιτικά δίκτυα (MAN). Το Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρέχει μια εισαγωγή στις πρόσφατες εξελίξεις από τεχνολογικής και κανονιστικής σκοπιάς της σταθερής ασύρματης ευρυζωνικής τεχνολογίας. Στη συνέχεια, μελετώνται τα "θέματα διάδοσης σε ζώνες συχνοτήτων άνω των 10GHz διαχωρίζοντας την επίδραση της ατμόσφαιρας και του περιβάλλοντος εγκατάστασης του σταθερού ασύρματου δικτύου. Η μελέτη αυτή συνοδεύεται από πολυάριθμα μοντέλα πρόβλεψης που αναπαράγονται από τη διεθνή βιβλιογραφία και τις Συστάσεις της ITU-R. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στην περιγραφή ενός φυσικού στατιστικού μοντέλου των διαλείψεων λόγω βροχής, ο οποίος αποτελεί τον κυρίαρχο παράγοντα υποβάθμισης της επίδοσης στο υψηλής συχνότητας τμήμα των σταθερών συστημάτων BWA. Επιπλέον, το Κεφάλαιο 3 διερευνά τις διάφορες μεθόδους άμβλυνσης των διαλείψεων (FMT) για την αντιμετώπιση των διαλείψεων του διαύλου. Οι τεχνικές FMT διαχωρίζονται σε τρεις γενικές κατηγορίες και, συγκεκριμένα, τον έλεγχο ισχύος, την προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση και τη διαφορική λήψη. Για την τελευταία, από τη διατριβή περιγράφονται δύο νέες μέθοδοι για την πρόβλεψη της επίδοσής της υπό ισχυρή και στρωσιγενής βροχή, αντίστοιχα. Στα υπόλοιπα κεφάλαια πραγματοποιείται μια ανάλυση της διακυψελικής παρεμβολής ως προς το σχήμα πολλαπλής πρόσβασης που επιλέγεται. Ειδικότερα, το Κεφάλαιο 4 επικεντρώνεται σε συμβατικά δίκτυα BWA που βασίζονται στη διαίρεση TDMA λαμβάνοντας υπόψη τα διαφορετικά χαρακτηριστικά κυψέλης που διακρίνει αυτού του είδους τα δίκτυα. Καίτοι οι πολυδιαδρομικές διαλείψεις έχουν σαφώς μικρότερη βαρύτητα για τα υπό μελέτη συστήματα, το Κεφάλαιο 5 εισάγει την τεχνική CDMA ως εναλλακτικό σχήμα πρόσβασης στο τμήμα των BWA δικτύων που λειτουργεί στο εύρος 10-66GHz, με κίνητρο τη βελτίωση ως προς τη διακυψελική παρεμβολή, τουλάχιστον για τη ζεύξη από το σταθμό συνδρομητή προς το σταθμό βάσης (upstream). Και στις δύο περιπτώσεις, πραγματοποιείται μια στατιστική εκτίμηση της διακυψελικής παρεμβολής λαμβάνοντας υπόψη τις διαλείψεις λόγω βροχής τόσο για την επιθυμητή όσο και για τις παρεμβάλλουσες ζεύξεις. Για την αντίθετη κατεύθυνση μετάδοσης (downstream), το Κεφάλαιο 6 προτείνει ένα συνδυασμό τεχνικών πολλαπλών ρυθμών μετάδοσης συμπεριλαμβανομένης της τεχνικής CDMA πολλαπλών κωδίκων και μεταβλητού κέρδους εξάπλωσης, των οποίων υιοθετείται μια τροποποιημένη εκδοχή για τον έλεγχο της παρεμβολής σε ολόκληρη την έκταση του τομέα. Η επίδοση του προτεινόμενου σχήματος ανάθεσης κωδίκων ελέγχεται τόσο με αναλυτικό τρόπο όσο και μέσω μιας ενδελεχούς εξομοίωσης των δυναμικών ιδιοτήτων του διαύλου.